Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Групповые сигналы в СВЧ-устройствах систем подвижной связи 13
1.1. Усиление групповых сигналов в устройствах систем подвижной связи 14
1.2. Классификация методов исследования нелинейных СВЧ-устройств 19
1.3. Нелинейные искажения групповых сигналов в мощных транзисторных СВЧ-усилителях 38
1.4. Современные транзисторные СВЧ-усилители и усилительные модули 54
Выводы по главе 1 64
Глава 2. Спектральный метод анализа нелинейных динамических транзисторных СВЧ-устройств при многочастотных сигналах 65
2.1. Аналитические модели группового сигнала и устройств с комплексной нелинейностью при использовании спектрального метода 66
2.2. Исследование нелинейных транзисторных СВЧ-устройств спектральным методом характеристических функций 71
2.3. Анализ и учет раздельного влияния нелинейности АХ и ФАХ 103
2.4. Спектральный анализ цифровых групповых сигналов на выходе нелинейного транзисторного СВЧ-усилителя мощности 113
2.5. Оценка уровней полезных сигналов и составляющих ИМИ на выходе нелинейных транзисторных СВЧ-устройств 124
2.6. Формы представления результатов расчетов нелинейных транзисторных СВЧ-устройств в многосигнальном режиме 129
Выводы по главе 2 135
Глава 3. Методы и устройства линеаризации характеристик нелинейных транзисторных СВЧ-усилителей мощности 137
3.1. Методы линеаризации амплитудной характеристики и уменьшения амплитудно-фазовой конверсии транзисторных СВЧ-усилителей мощности 138
3.2. Схемы линеаризации и корректоры передаточных характеристик транзисторных СВЧ-усилителей мощности 156
3.3. Разработка эффективных корректоров передаточных характеристик мощных СВЧ-устройств 164
3.4. Моделирование и разработка схем блоков управления корректорами передаточных характеристик 178
3.5. Линеаризация характеристик СВЧ-усилителей мощности на основе обратимых моделей 188
Выводы по главе 3 , 197
Глава 4. Разработка и экспериментальные исследования линейных транзисторных СВЧ-усилителей мощности 198
4.1. Компьютерное моделирование нелинейных транзисторных СВЧ-усилителей мощности 199
4.2. Моделирование систем связи с нелинейными транзисторными СВЧ-устройствами 206
4.3. Разработка экспериментальной СВЧ-установки 213
4.4. Исследование нелинейных СВЧ-усилителей мощности
в многочастотном режиме 221
4.5. Оценка точности расчета продуктов ИМИ спектральными методами 257
4.6. Исследование явления ухода параметров мощного усилительного модуля и оценка стабильности его характеристик 262
Выводы по главе 4 278
Заключение 280
Список литературы 282
Приложения 311
Условные обозначения 386
- Классификация методов исследования нелинейных СВЧ-устройств
- Современные транзисторные СВЧ-усилители и усилительные модули
- Исследование нелинейных транзисторных СВЧ-устройств спектральным методом характеристических функций
- Схемы линеаризации и корректоры передаточных характеристик транзисторных СВЧ-усилителей мощности
Введение к работе
Современные глобальные сети радиосвязи и системы передачи информации предоставляют разнообразные по функциональному содержанию услуги громадному количеству коллективных и индивидуальных пользователей. Важное место в таких сетях занимают системы подвижной связи с многостанционным доступом с частотным, временным и кодовым разделением каналов. Одной из главных тенденций развития и совершенствования систем подвижной связи с многостанционным доступом является повышение качества, объема и скорости передаваемой информации, а также дальнейшее увеличение числа пользователей. [1-6].
Актуальность проблемы. В системах подвижной связи с многостанционным доступом (это относится и ко многим другим широкополосным системам передачи информации, в частности к транкинговым, спутниковым и т.д.) используются сложные по структуре (групповые и широкополосные) сигналы с различными видами модуляции. Поэтому решение задачи совершенствования многообразных систем связи и повышения качества их функционирования непосредственно связано с обеспечением линейных свойств трактов прохождения группового сигнала, и особенно линейности передаточных характеристик транзисторных СВЧ-усилителей мощности (СВЧ-УМ), относящихся к классу нелинейных динамических систем. В противном случае в передающих трактах возникают интермодуляционные искажения (ИМИ), создающие взаимные помехи во всех каналах передачи информации и мешающие нормальному функционированию системы радиосвязи. Для качественной работы мощность ИМИ в многоканальных системах связи должна быть, как правило, ниже мощности передаваемых сигналов не менее чем на 25-30 дБ. В связи с этим линейность амплитудной характеристики (АХ) и равномерность фазоамплитудной характеристики (ФАХ), или допустимая величина амплитудно-фазовой конверсии (АФК), выходных транзисторных СВЧ-усилителей мощности являются очень важными показателями для рабо- ты современных систем подвижной связи. Далее подобные нелинейные динамические системы классифицируются как устройства с комплексной нелинейностью (УКН).
Изучению нелинейных явлений в усилителях мощности посвящены различные труды СИ. Евтянова, Г.М. Крылова, Р.Т. Весткотта, Е.Д. Сунде и др. Данные вопросы подробно представлены в многочисленных работах В.И. Ка-ганова, О.П. Новожилова, Ю.Л. Хотунцева, Л.С. Гуткина, Л.Я. Кантора, А.А. Титова, которыми разработан ряд методов исследования подобных устройств. Однако эти методы полностью не решают всех поставленных вопросов. Причем с возрастанием потоков передаваемой информации, увеличением мощности радиопередающих устройств различных систем передачи информации, уплотнением радиоканалов систем связи, соответственно, с ухудшением электромагнитной обстановки, проблема становится особенно острой.
Вместе с тем, при решении проблемы линеаризации всех мощных устройств, входящих в состав системы подвижной радиосвязи, возникает достаточно противоречивая задача, заключающаяся в следующем. Транзисторные СВЧ-УМ с целью обеспечения высоких энергетических показателей, должны принципиально работать в нелинейном режиме. И поэтому здесь возникает серьезная проблема усиления группового сигнала в нелинейной динамической системе в соответствии с линейными законами. Кроме того, анализ линейности АХ и величины АФК усилителей мощности в настоящее время ведется различными методами, что затрудняет компьютерное проектирование.
Решение этой крупной научной проблемы определяет актуальность диссертации, направленной на линеаризацию характеристик мощных транзисторных СВЧ-усилителей и усилительных модулей (с направленными ответвителями, сумматорами, делителями), что позволяет существенно повысить энергетические показатели, сузить рабочие полосы каналов и увеличить надежность существующих и перспективных систем подвижной связи гражданского и оборонного назначения в интересах всех отраслей экономики страны.
Целью работы является создание научно-обоснованных методов и технических устройств, обеспечивающих решение проблемы линеаризации характеристик транзисторных СВЧ-усилителей мощности с повышенными энергетическими характеристиками и минимальными уровнями ИМИ при усилении сложных групповых сигналов в системах подвижной связи.
В соответствии с поставленной целью в настоящей работе рассмотрены вопросы:
Теоретическое и экспериментальное исследование передаточных амплитудных и фазоамплитудных характеристик мощных транзисторных СВЧ-усилителей, определяющих степень искажения сложных сигналов и появления ИМИ в системах подвижной связи.
Предложен и теоретически обоснован спектральный метод анализа нелинейных динамических систем типа СВЧ-УМ при усилении сложных групповых сигналов.
Методы компьютерного моделирования и расчет составляющих комбинационного спектра и продуктов интермодуляционных искажений при усилении сложных сигналов.
Предложены и экспериментально подтверждены новые способы линеаризации передаточных характеристик транзисторных СВЧ-усилителей мощности и усилительных модулей радиопередающих устройств систем связи.
5. Предложены и разработаны многофункциональные широкополосные несимметричные направленные ответвители, делители и сумматоры мощности без существенного изменения спектра и мощности выходных групповых сигналов.
Методы исследования. При проведении исследований в диссертационной работе использованы: методы спектрального анализа нелинейных динамических систем при групповых сигналах, аппарат функций комплексного переменного, дифференциальные и интегральные преобразования, теория вероятностей и математическая статистика, различные способы аппроксимации и интер- поляции функций, теория передачи информации, методы компьютерного моделирования и проектирования и теория надежности.
Научная новизна диссертации заключается в следующем.
Предложена новая вероятностная математическая модель нелинейных транзисторных СВЧ-усилителей мощности, представляемая через амплитудные и фазоамплитудные характеристики.
Впервые разработан и применен эффективный и достаточно точный спектральный метод анализа нелинейных динамических систем при групповых сигналах с использованием теории характеристических функций и бесселевой аппроксимации АХ и ФАХ. Метод обладает высокой точностью (0,2 - 0,1) дБ, перспективностью, универсален и в наибольшей степени подходит для исследования влияния комплексной нелинейности СВЧ-устройств на показатели качества функционирования систем связи.
Создан метод анализа СВЧ-УМ, использующий математический аппарат систем дискретного времени.
Предложены новые методы и технические решения построения транзисторных СВЧ-УМ с линейными передаточными характеристиками и малыми уровнями ИМИ.
Созданы новые способы и схемы линеаризации характеристик устройств с комплексной нелинейностью, основанные на специально вводимых амплитудных и фазовых корректорах с цифровым адаптивным управлением.
Впервые дан анализ влияния нелинейности характеристик транзисторных СВЧ-УМ на показатели качества систем подвижной связи и проведена их оптимизация по критерию максимального отношения мощности выходного сигнала к мощности интермодуляционных искажений.
Разработаны многофункциональные широкополосные несимметричные направленные ответвители, делители и сумматоры без существенного изменения спектра и мощности выходных групповых сигналов.
Практическая ценность работы состоит в разработке и создании:
Линейных транзисторных СВЧ-УМ, усилительных модулей и умножителей частоты, защищенных авторскими свидетельствами для систем подвижной радиосвязи.
Комплекса программ по компьютерному анализу и расчету комбинационного спектра и составляющих ИМИ на выходе транзисторных СВЧ-усилительных модулей, применяемых в системах радиосвязи с многостанционным доступом.
Амплитудных и фазовых корректоров и схем линеаризации передаточных характеристик транзисторных СВЧ-усилителей мощности с адаптивным управлением и обратными связями, позволяющих повысить существенно их линейность.
Многофункциональной экспериментальной установки для практического исследования параметров и характеристик широкополосных транзисторных СВЧ-усилителей мощности.
Алгоритма расчета вероятности возникновения ошибки для разного числа каналов в зависимости от мощностей сложных сигналов и интермодуляционных искажений.
Ряд результатов диссертационной работы защищены 18 авторскими свидетельствами на изобретения.
Основные научные положения, выносимые на защиту
1. Вероятностная математическая модель нелинейных транзисторных СВЧ-усилителей мощности, представляемая через многосигнальные амплитудные и фазоамплитудные характеристики.
2. Спектральный метод исследования нелинейных динамических систем при усилении групповых сигналов с использованием теории характеристических функций и бесселевой аппроксимации АХ и ФАХ, позволяющий рассчитать комбинационный спектр сигналов и составляющих ИМИ в каналах систем радиосвязи.
Новые методы и технические решения построения транзисторных СВЧ-усилителей мощности с линейными передаточными характеристиками.
Способы и схемы автоматической линеаризации характеристик устройств с комплексной нелинейностью, основанные на работе амплитудных и фазовых корректоров с цифровым и адаптивным управлением.
Метод анализа влияния нелинейности характеристик транзисторных СВЧ-усилителей мощности на показатели качества систем подвижной связи и их оптимизация по критерию максимального отношения мощности сложного выходного сигнала к мощности продуктов интермодуляционных искажений.
Способы создания многофункциональных несимметричных направленных ответвителей, делителей и сумматоров мощности без существенного изменения спектра выходных групповых сигналов в каналах связи.
Основные результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях ОАО «Концерн радиостроения «ВЕГА», ЦНИИ «Радиосвязь», ОАО НПК НИИДАР, в НИИ космических систем - филиал ГКНПЦ имени М.В. Хруничева, ФГУП НИЦ «АТОМ», использованы на предприятии ВНИИТ НПО «КВАНТ» (В-2763, г. Москва), в институте общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук, применены в учебном процессе в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (технический университет). Ряд результатов диссертации использованы в 5-й НИР на базе МИРЭА. Также результаты работы отражены в 7 учебниках автора с грифами Министерства образования РФ и СССР «Рекомендовано» и «Допущено» в качестве учебника для студентов высших учебных заведений.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались с 1975-го по 2006 год на научно-технических конференциях и семинарах в Московском энергетическом институте (техническом университете), Московском государственном институ- те радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете), Московском государственном техническом университете гражданской авиации, Московском государственном открытом университете, на конференциях и заседаниях НТОРЭС им. А.С. Попова, на международных, Всесоюзных, Всероссийских научно-технических конференциях и симпозиумах.
Достоверность основных теоретических положений и выводов подтверждена экспериментально в процессе исследований разработанных линейных транзисторных СВЧ-усилителей мощности, точностью расчетов с помощью спектрального метода характеристических функций, совпадением результатов настоящей работы с данными, полученными другими авторами, а также актами о внедрении и использовании научных и практических результатов диссертации.
Публикации. Результаты проведенных в диссертации исследований опубликованы автором в 151 работе: 12 статьях в ведущих научных журналах и изданиях, выпускаемых в Российской Федерации и рекомендуемых ВАК для публикация основных материалов диссертаций, представляемых на соискание ученой степени доктора наук; 18 описаниях к авторским свидетельствам на изобретения; 25 статьях в сборниках трудов международных научно-технических конференций; 37 статьях в научно-технических сборниках издательств МИРЭА и других высших учебных заведениях и научно-исследовательских институтов; 14 учебниках и 2 учебных пособиях с грифом УМО и Министерства образования и науки Российской Федерации; 16 учебных пособиях, 27 тезисах докладов научно-технических конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 7 приложений, списка использованных источников информации, включающего 289 наименований; содержит 386 страниц текста, 125 рисунков и 19 таблиц.
Классификация методов исследования нелинейных СВЧ-устройств
Известно, что 10-15 лет назад в проектировании различных линейных СВЧ-устройств, и в частности транзисторных СВЧ-усилителей мощности, наметились серьезные изменения, способствующие реализации многих разработанных к этому времени методов их расчета, моделирования и разработки [4,23, 30, 31-37].
Это было связано с широким и повсеместным внедрением мощных компьютеров, появлением возможности точного решения системы линейных и нелинейных уравнений большой размерности со скоростью, достаточной для проведения синтеза сложных устройств за сравнительно короткое время. Одновременно развивалась разработка математического аппарата расчета динамических нелинейных СВЧ-устройств, основанного на применении ряда упрощенных методов анализа.
Известно, что проектирование таких устройств сопряжено с большими трудностями, поскольку при этом необходимо удовлетворить многим требованиям, подчас взаимно противоречивым. Самыми известными производителями высоколинейных транзисторных СВЧ-УМ этого назначения являются фирмы Ericsson (www.ericsson.com), Lucent (www.lucent.com), Bravo Tech. Inc (www.bravotechinc.com) и PARADIGM. Высоколинейные широкополосные усилители мощности на транзисторах разрабатываются сейчас многими ведущими фирмами мира.
Большой вклад вносит фирма Motorola (www.motorola.com), которая поставляет мощные LDMOS-транзисторы, используемые в выходных каскадах большинства разрабатываемых усилителей. В связи с отмеченным возникает задача оптимизации твердотельных усилительных (и пассивных, типа сумматоров, делителей и направленных ответвителей) устройств, которая включает в себя выбор критериев и функционалов оптимизации, ориентированных на применение компьютеров, так как сложность задачи не позволяет решить ее аналитически.
Основной проблемой при решении данной задачи оставалось нахождение наиболее эффективных методов математического моделирования транзисторных СВЧ-устройств и их исследования. С целью увеличения эффективности систем подвижной связи необходимо оптимизировать выбор параметров, а затем и сами параметры нелинейного СВЧ-тракта по критерию обеспечения максимальной пропускной способности при заданной вероятности ошибки, или увеличения помехоустойчивости при заданной пропускной способности. Для достижения данной цели необходимо оптимизировать выбор параметров базовой приемопередающей станции (БПС) или спутникового ретранслятора и всей системы подвижной связи в целом. Это является непростой научно-технической задачей, что особенно проявляется при учете влияния нелинейности передающих трактов базовой приемопередающей станции или спутникового ретранслятора на основные параметры системы подвижной связи. Для количественной оценки влияния комплексной нелинейности транзисторных СВЧ-усилителей мощности на параметры системы радиосвязи необходимо разработать универсальные методы исследования и применить их на реальных устройствах этих и подобных систем.
С целью увеличения эффективности многостанционных систем связи с нелинейным транзисторным СВЧ-трактом базовой приемопередающей станции или ретранслятора по критерию обеспечения максимальной пропускной способности при заданной помехоустойчивости необходимо решить ряд специфических задач [4, 7-12, 38-44]. 1. Провести анализ известных методов исследования нелинейных транзисторных СВЧ-УМ и рассмотреть возможность разработки новых методов. Разработанные методы должны быть достаточно простым даже при действии большого числа сигналов, пригодным для исследований различных по принципу работы устройств с существенной нелинейностью АХ и неравномерностью ФАХ и опробованным на нескольких подобных устройствах. 2. Разработать универсальные методы расчета мощности полезных групповых сигналов и составляющих ИМИ на выходе нелинейного транзисторного СВЧ-УМ. 3. Провести математическое моделирование системы связи с многостанционным доступом. Разработать математическое обеспечение, причем программа расчетов должна быть универсальной для различных по принципу работы СВЧ-устройств. 4. Дать экспериментальную оценку точности расчетов вновь предложенным или выбранным методам анализа нелинейных динамических систем, усиливающих сложные сигналы. Для этого необходимо произвести моделирование усилительных устройств системы связи, разработать экспериментальную СВЧ-установку, различные схемы и методики измерений многосигнальных АХ и ФАХ СВЧ-УМ, а также измерений мощности ИМИ 3-го и 5-го порядка в многосигнальном режиме. Анализ нелинейных динамических систем точными методами (как для линейных систем) затруднен ввиду большой сложности расчетов, а зачастую и принципиальной невозможности достижения оптимального конечного результата. Поэтому большое распространение получили приближенные методы исследования различных устройств, и в первую очередь те, которые позволяют распространить на нелинейные системы современные методы анализа линейных систем.
Современные транзисторные СВЧ-усилители и усилительные модули
Современные СВЧ-усилители мощности систем связи строят на основе усилительных модулей, которые представляют собой конструктивно законченные радиотехнические устройства с заданными параметрами, определенными техническим заданием [114-116].
В качестве активного элемента в современных мощных усилительных модулях чаще всего применяются полевые СВЧ-транзисторы. Полевые транзисторы сравнимы с биполярными по выходной мощности, однако, только на частотах до 1 ГГц. Биполярные транзисторы применяются на частотах до 5...6 ГГц и лишь в тех случаях, когда не требуется высокая линейность характеристик. Отметим, что на частоте 1 ГГц выходная мощность биполярных транзисторов значительно выше мощности, которую могут обеспечить полевые транзисторы [117-121]. Например, при работе в режиме АВ, выходная мощность насыщения биполярных транзисторов составляет порядка 150 Вт, а полевых — от 30 до 90 Вт. Данные показатели обуславливают преимущественное применение на частотах до 5...6 ГГц биполярных транзисторов в выходных каскадах мощных усилительных модулей для систем с низкой линейностью характеристик [32-35,122-127].
Однако, даже при их более высокой стоимости, по сравнению с биполярными, полевые транзисторы нашли широкое применение в каскадах мощных усилительных модулей передатчиков систем сотовой связи, обеспечивая большую линейность характеристик и обладая достаточным коэффициентом усиления. Так например, на частоте 1 ГГц горизонтальные двухдиффузион-ные МОП-транзисторы способны работать, обеспечивая коэффициент усиления по мощности 11 дБ, а полевые транзисторы, выполненные на арсениде галия (GaAs) — 14 дБ [32-35].
У мощных полевых транзисторов стоит отметить меньшую зависимость их свойств от температуры, отрицательный температурный коэффициент для тока стока, отсутствие вторичного пробоя, что значительно повышает надежность схем. Благодаря тому, что полевые СВЧ-транзисторы обладают рядом преимуществ, снимается ограничение на нижнюю граничную частоту, и так как они обладают более высокими входным и выходным (нагрузочным) сопротивлениями, МДП-транзисторы более пригодны для построения широкополосных усилительных схем [32-35,45].
В современных системах сотовой связи в настоящее время наметился переход от биполярных транзисторов, устанавливаемых в выходных каскадах усилителей мощности базовых станций к полевым транзисторам с боковой диффузией (Lateral Diffused — LD; MOSFET-транзисторы). Для выходных усилителей мобильных аппаратов наиболее перспективными устройствами являются транзисторы с гетеропереходом на основе арсенида галлия (GaAs, НВТ), вытесняя популярные до недавнего времени полевые транзисторы с затвором Шоттки (MESFET) [45]. Это обусловлено стремлением поставщиков аппаратуры снизить стоимость проектируемых устройств. Снижение общей стоимости аппаратуры связано не только с применением новых элементов. Как правило оно достигается также путем уменьшения энергопотребления мощных усилителей, перевода транзисторов СВЧ-диапазона в пластмассовые корпуса и за счет отказа от дорогостоящих золотых покрытий. Использование пониженного напряжения питания способствует снижению мощности, рассеиваемой в цифровых цепях системы. Однако, для высокочастотных узлов систем связи пониженное напряжение питания означает дополнительные проблемы, связанные с линейностью и эффективной излучаемой мощностью [128-133]. Для обеспечения высокого КПД выходных модулей системы связи при низком напряжении питания необходимы СВЧ-транзисторы с малым сопротивлением канала в открытом состоянии. И для приемников, и для передатчиков принципиально важно использование устройств с повышенной линейностью. Не следует также забывать о жестких требованиях, предъявляемых к коэффициенту шума.
В настоящее время, большинство российских фирм, выпускающих СВЧ усилительные модули, в качестве активных элементов используют зарубежные транзисторы производства Motorola, Hewlett Packard, Mitsubishi, Xemod, Toshiba, в силу эффективных технологических показателей и высокой линейности АЧХ и ФЧХ [32-35, 45,134-139].
Разумеется, для значительного снижения потребляемой мощности устройств необходимо объединение усилий в различных областях исследований. Необходимо использовать такие виды модуляции, которые обеспечивают минимально возможное количество энергии на бит передаваемой информации и могут быть реализованы с помощью высоко эффективных схем (как правило, нелинейных).
Специфические требования накладываются на антенны, ответвители и сумматоры мощности и фильтры, работающие в системах с широкополосными видами модуляции, которые должны иметь минимальные потери и малые габариты. Для продуктивного использования систем автоматизированного проектирования (САПР) при разработке и оптимизации необходимы точные модели и высокое качество изготовления прототипа. Для достижения оптимального использования КМОП-микросхем очень высокой степени интеграции необходимо осознать взаимосвязь между эффективной (с точки зрения энергетики) обработкой цифровых сигналов и особенностями аналоговых СВЧ схем [140-149].
Резкий скачок в области разработки высокочастотных систем связи на основе многокристальных модулей, обещает развитие технологии интеграции на одной подложке активных СВЧ устройств на основе SiGe, микроэлектромеханических (MEMS) и микромеханических компонентов. Чтобы довести такие системы хотя бы до мелкосерийного выпуска, необходимы новые концепции и достижения в проектировании схем, которые позволят заменить главные компоненты приемного тракта, такие как коммутаторы, диплексеры, СВЧ и ПЧ усилители, смесители, СВЧ и ПЧ фильтры, генераторы на их малогабаритные монолитные, но столь же эффективные аналоги. В рамках программы были разработаны новые MEMS-компоненты на базе кремния, предназначенные для замены пассивных элементов, использующихся в существующих системах связи [30, 31, 35, 45, 66-67, 129,150].
Исследование нелинейных транзисторных СВЧ-устройств спектральным методом характеристических функций
В диссертации для исследований широкополосных транзисторных СВЧ-усилителей мощности, а также устройств и систем с существенной нелинейностью передаточной АХ и значительной неравномерностью передаточной ФАХ разработан и используется метод характеристических функций в рамках спектрального метода нелинейных динамических систем с групповыми сигналами [22, 23,43, 82,192-194].
Трудоемкость решения задачи анализа различных нелинейных динамических систем при выполнении операции свертки функций можно уменьшить за счет замены этой операции на операцию перемножения их отображений. Классическим примером является свойство свертки преобразования Фурье. Каждой свертке соответствие умножение полученного на предыдущем этапе результата на отображение очередной функции, т. е. существенно упрощается процесс нахождения функции распределения суммы N независимых случайных величин.
Применение теории и приложений метода характеристических функций для нахождения основных параметров и спектра группового сигнала (по существу это усиление N входных сигналов — случайных статистически независимых величин) на выходе нелинейного транзисторного СВЧ-устройства является очень привлекательной и без сомнения полезной в силу их эффективности при исследовании случайных процессов с существенно меняющейся дисперсией.
Операции перемножения и деления величин также часто встречаются в алгоритмах обработки сигналов в алгоритмах в управляющих нелинейных динамических системах. А из курса математики известно о непрерывном соответствии между характеристическими функциями и функциями распределения случайных процессов.
Использование этих свойств приводит к тому, что плотность распределения произведения или частного и случайных величин находится на основе операции N-1 кратного умножения, а не интегрирования. Отсюда заключаем, что теория характеристических функций является функционально полной и завершенной в терминах операций сложения и умножения, случайных статистически независимых сигналов. По существу было необходимо в рамках данного метода оценить математическое ожидание множества случайных величин (сигналов) с существенно меняющейся дисперсией, функция распределения которых имеет нелинейную асимптотику, а нелинейные передаточные характеристики транзисторных СВЧ-усилителей мощности отражаются сложными нелинейными кривыми.
Рассмотрим основные вопросы применения метода характеристических функций для исследования спектров сигналов и помех на выходе транзисторного СВЧ-УМ. В радиотехнике и теории связи часто требуется опреде 78 лить вероятностные параметры и характеристики информационных сигналов стохастического вида, преобразованных различными нелинейными или параметрическими цепями. В этих случаях эффективно применение метода исследований с помощью характеристической функции [29, 55,195,196]. Пусть имеется случайный стационарный процесс в виде группового сигнала X(t), описываемый одномерной плотностью вероятности р(х). Конкретный вид этой функции xi(t),x2(t),..., Xk(t),..., xn(f), выражающий реализации случайного процесса, являются в нашем случае отдельными передаваемыми сигналами по каналу связи. В теории вероятностей для таких случайных процессов большую роль играет статистическое среднее вида представляющее собой по существу обратное преобразование Фурье (без привычного коэффициента от плотности распределения вероятности р{х) и называемое характеристической функцией случайной величины X. В этом случае функция G(v) является прямым преобразованием Фурье от плотности вероятности (с коэффициентом у-), поэтому р(х) = — \G(v)e jvxdv. (2.25) 7тт. J -оо Итак, плотность вероятности случайной величины может рассматриваться как частотный спектр характеристической функции случайной величины, а последняя, в свою очередь, как координатное представление распределения случайной величины. Из курса математики известно, что можно провести асимптотическое разложение разного типа характеристической функции для произвольного распределения. Приведем ряд результатов асимптотического разложения для:
Схемы линеаризации и корректоры передаточных характеристик транзисторных СВЧ-усилителей мощности
На практике довольно сложно выбрать какую-то одну схему корректора, потому что различные их виды предполагают оптимизацию по различным показателям, таким, как: определенная полоса пропускания канала, требуемая эффективность подавления ИМИ, перекрытие по частоте и т. п.
В качестве наиболее эффективных и используемых в настоящее время систем коррекции характеристик выходных усилителей систем связи были предложены следующие системы коррекции и линеаризации [23, 30,181]: - синфазно-квадратурная петля обратной связи; - полярная петля обратной связи; - система адаптивного широкополосного предыскажения; - система с подавлением и восстановлением несущей; - система линейного усиления с использованием нелинейных активных компонентов. Синфазно-квадратурная петля обратной связи позволяет линеаризовать передатчик, в котором осуществляется цифровая модуляция. Структурная схема корректора с синфазно-квадратурной петлей обратной связи представлена на рис. 3.8. Синфазная (I) и квадратурная (Q) составляющие широкополосного сигнала подаются на вход корректора, в котором осуществляется преобразование частоты вверх и усиление сигнала [23, 181, 232]. Синтезатор Рис. 3.8. Структурная схема корректора с синфазно-квадратурной петлей обратной связи Поскольку в процесс линеаризации оказывается включенным не только выходной мощный СВЧ-усилитель, но и предварительный усилитель сигналов и преобразователь частоты, то можно говорить о линеаризации не отдельного выходного усилителя, а практически всего передатчика системы радиосвязи [Ш, 216, 224]. К недостаткам подобной системы коррекции передаточных характеристик транзисторных СВЧ-усилителей стоит отметить задержку при прохождении сигналом петли обратной связи. Наряду с этим процессом оказывается, что минимизация нелинейных искажений в передатчике сильно связана с полосой пропускания системы, в которой может эффективно работать петля обратной связи. Обычно, применяя на практике подобную схему, высокую степень подавления ИМИ в выходном спектре можно обеспечить для одной несущей частоты или для нескольких рядом стоящих частотно-разделенных каналов связи. Практические схемы с применением синфазно-квадратурных петель обратной связи были построены для частот от 150 МГц до 1,8 ГГц и применялись, главным образом, в системах TETRA, GEONET и ряде других систем подвижной частной радиосвязи. При этом были достигнуты уровни подавления продуктов ИМИ 3-го порядка от 25 дБ до 45 дБ. Также, подобные схемы нашли применение в системах сотовой связи стандарта D-AMPS и японском стандарте PDC (Personal Digital Cellular). Принцип работы разработанного корректора искажений с полярной петлей обратной связи (рис. 3.9), похож на принцип работы предыдущей схемы. Основное различие заключается в составляющих, на которые воздействует петля обратной связи [138, 181, 216]. В корректоре с применением петли полярной обратной связи обрабатываются не синфазная и квадратурная составляющие, а амплитудная и фазовая составляющие, которые описывают сигнал в полярных координатах. В остальном принцип работы данного корректора похож на работу синфазно-квадратурной петли обратной связи. Однако, как правило, в системах этого класса корректоров не достигается высокой производительности в вопросах линеаризации передаточных характеристик мощных усилителей. Это достаточно легко объясняется следующим образом. Требуемая полоса пропускания системы обратной связи для амплитудной и фазовой составляющих различны для различных типов модуляции. Усилитель РЧ-уСИЛИТ9ЛЬ модулятора мощности Делитель Структурная схема корректора характеристик с полярной петлей обратной связи В результате ограничения коэффициента усиления усилителя цепи обратной связи для какой-то одной из составляющих коррекция АМ-АМ-искажений или, что более вероятно, АМ-ФМ-искажений происходит менее интенсивно, ограничивая, тем самым, производительность всей системы по минимизации продуктов ИМИ в спектре выходного колебания. Вместе с тем к основным преимуществам данной схемы относится то, что она охватывает практически весь передатчик, а не только выходной усилитель мощности. Адаптивное широкополосное предыскажение является комбинированным методом, вобравшим в себя отдельные черты первых двух методов. В подобных системах предыскажение сигнала в широкой полосе частот осуществляется перед преобразованием частоты вверх. Структурная схема системы корректора с адаптивным широкополосным предыскажением входного усиливаемого сигнала, построенного с применением цифрового сигнального процессора (ЦСП, англ. — DSP), показана на рис. 3.10 [23, 138, 181, 233]. Во
Синтезатор Структурная схема корректора с адаптивным предыскажением многом рассматриваемая схема корректора очень похожа по принципу действия на схему синфазно-квадратурной петли обратной связи. Однако в данной схеме, как правило, применяется цифровой сигнальный процессор, посредством которого осуществляется цифровая модуляция. Хотя предлагаемый метод позволяет линеаризовать характеристики выходного усилителя передатчика при работе в широкой полосе частот и п-рактически в режиме реального времени; ограничивающим фактором может служить необходимость цифровой обработки сигналов. В результате из-за необходимости установки оперативных запоминающих устройств (ОЗУ) в радиопередатчике системы подвижной связи, а также аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в петле обратной связи, может сильно возрасти энергопотребление, сложность применяемой аппаратуры. Соответственно, увеличится и стоимость устройств коррекции характеристик. В случае если будут разработаны цифровые сигнальные процессоры, а также ОЗУ с низким энергопотреблением, то у данного метода появится шанс найти широкое применение в радиопередающей аппаратуре систем связи.
